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编码八叉树在多波束测深数据中的应用与分析

海洋测绘 2023年第1期43卷 1-4页

作者：许方正卜宪海屠泽杰闫循鹏山东科技大学测绘与空间信息学院山东青岛266590

多波束测深数据在水下地形地貌研究与应用中具有十分重要的价值。针对多波束测深数据量大,相关处理方法效率低等问题,提出一种基于莫顿编码的八叉树海量点云数据结构。首先,根据点云的包围盒大小及最大深度进行空间划分;然后,对各个节... 详细信息

多波束测深数据在水下地形地貌研究与应用中具有十分重要的价值。针对多波束测深数据量大,相关处理方法效率低等问题,提出一种基于莫顿编码的八叉树海量点云数据结构。首先,根据点云的包围盒大小及最大深度进行空间划分;然后,对各个节点赋予索引值,并对索引值进行二进制编码,建立基于莫顿编码的八叉树数据结构;最后,以SOR(statistical outlier removal)滤波实验为例,测试提出的数据结构在邻域内快速搜索的效率,结果表明,基于莫顿编码的八叉树数据结构具有更高的搜索效率,对于提高海量测深数据处理效率具有一定参考意义。

关键词：海量测深数据莫顿编码八叉树数据结构索引邻域快速搜索 SOR滤波

顾及地形复杂度因子权重的多波束点云抽稀算法

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山东科技大学学报（自然科学版） 2022年第5期41卷 21-29页

作者：陈嘉阳卜宪海陈殿称云天宇阳凡林山东科技大学测绘与空间信息学院山东青岛266590 自然资源部海洋测绘重点实验室山东青岛266590

多波束测深数据具有海量性与冗余性的特点,在实际应用中有必要进行简化处理。现有抽稀算法大多基于单一特征参数实现,其结果往往存在地形细节丢失、地形真实性欠佳等问题,为此提出一种顾及地形复杂度因子权重的多波束点云抽稀算法。该... 详细信息

多波束测深数据具有海量性与冗余性的特点,在实际应用中有必要进行简化处理。现有抽稀算法大多基于单一特征参数实现,其结果往往存在地形细节丢失、地形真实性欠佳等问题,为此提出一种顾及地形复杂度因子权重的多波束点云抽稀算法。该算法首先筛选地形起伏度、坡度和粗糙度作为评价因子,然后采用改进CRITIC综合评价法构建地形复杂度指标,基于该指标实现了点云的初步抽稀;最后通过自适应格网保留局部特征点,进一步改善抽稀质量。实验表明:与传统算法相比,该算法的抽稀结果在多级简化率条件下均具有更低的均方根误差(RMSE),有效提升了简化后的地形精度,能够保留更多的地形细节特征。

关键词：多波束数据点云抽稀地形复杂度 CRITIC法

基于激光点云约束的多波束低掠射波束几何改正

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基于激光点云约束的多波束低掠射波束几何改正

作者：卜宪海山东科技大学

学位级别：硕士

船载多传感器水上水下一体化测量系统集成激光扫描、多波束测深和组合导航技术,可同步获取海岛礁、海岸带、港口和堤坝等区域水上水下地形数据,与传统靠单波束测深仪和人工手持RTK测量方式相比具有高效率、高精度、一体化等明显优势。... 详细信息

船载多传感器水上水下一体化测量系统集成激光扫描、多波束测深和组合导航技术,可同步获取海岛礁、海岸带、港口和堤坝等区域水上水下地形数据,与传统靠单波束测深仪和人工手持RTK测量方式相比具有高效率、高精度、一体化等明显优势。要实现水岸线附近水上水下无缝的测量数据,不仅需要获取在水陆交界处地形的完整数据、统一水上水下点云的地理框架,还需要准确跟踪和定位水上水下的点云坐标。为此,本文针对一体化测量数据处理中几个关键技术进行了深入研究,对于解决多波束低掠射角条件下的声线准确跟踪具有重要意义,研究成果如下:(1)对多波束水下点云精确位置归算进行了研究。分析了声线弯曲对多波束测深水下点云的影响,介绍了波束脚印首先归算至换能器坐标系、再变换到地理坐标系下模式的不足;提出了同时顾及波束发射角、安装角和姿态角的精确波束归位改进模型,由此计算波束三维入射向量,然后根据声速剖面进行三维声线跟踪,最后通过坐标转换计算测深点在地理坐标系下的坐标;通过对上述两归位模型进行实验分析,验证了改进模型的准确性,为提高一体化测量中水下点云的精度,缩小水陆交界处激光点云与测深点云之间的缝隙提供基础。(2)对多波束低掠射波束几何改正进行了研究。分析了水上水下一体化测量时水陆交界处激光点云与多波束点云拼接存在误差的原因,指出多波束入射角60°以上的低掠射波束的声线跟踪结果可靠性较低;针对这一问题,本文首先根据测区内的若干声速剖面和沿航迹线附近的表层声速,利用经验正交函数和线性加权内插法构建修正后的三维声速场,完成初始声速改正;然后,提取水上激光扫描和水下多波束测量的水陆交界处同名特征点,以精度更高的激光扫描特征点为最外侧声波束边界,计算入射角60°以上各波束旋转角和比例系数,实现声波束几何改正和水上水下点云无缝拼接。实测结果表明,在距岸约20 m,水深约20 m的情况下,改正后低掠射角波束平面精度约2.5cm,高程精度1.3cm,符合IHO规定的精度要求,并实现了水上水下点云的无缝拼接。

关键词：船载移动测量系统波束归位三维声速场低掠射角几何改正

一种基于同心双曲线相交的多波束测深归位算法

同方学位论文库评论

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哈尔滨工程大学学报 2020年第6期41卷 922-928页

作者：吴冬强卜宪海许方正冯成凯阳凡林山东科技大学测绘科学与工程学院山东青岛266590 自然资源部海岛(礁)测绘技术重点实验室山东青岛266590

针对现有波束归位算法大多忽略了波束往返期间换能器姿态和航向的变化且部分模型相对复杂,给计算结果带来误差问题,本文提出一种基于同心双曲线相交的波束归位算法。将发射和接收波束能量以2个顶点相同的规则圆锥面表示,波束脚印则为两... 详细信息

针对现有波束归位算法大多忽略了波束往返期间换能器姿态和航向的变化且部分模型相对复杂,给计算结果带来误差问题,本文提出一种基于同心双曲线相交的波束归位算法。将发射和接收波束能量以2个顶点相同的规则圆锥面表示,波束脚印则为两圆锥面在海底投影形成的2个相交双曲线的交点,通过求解相交双曲线方程来获得波束脚印坐标。通过实验比较常规波束归位算法、虚拟同心阵算法、本文算法对浅水和中深水实测数据的计算结果以及各方法条带重叠区域数据的深度不符值,实验表明:本文算法与虚拟同心阵算法计算结果基本一致,精度处于同一水平,较常规算法精度更高,对多波束数据处理研究具有一定的参考价值。

关键词：多波束测深系统波束归位波束脚印换能器姿态圆锥面同心双曲线虚拟交叉

多波束测深Ping周期内姿态变化对水深的影响分析

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海洋技术学报 2023年第5期42卷 56-63页

作者：吴冬强王晓明卜宪海于宗泽自然资源部海底矿产资源重点实验室中国地质调查局广州海洋地质调查局广东广州511458 中交星宇科技有限公司北京101399 山东科技大学测绘与空间信息学院山东青岛266590

多波束系统波束发射与接收为独立过程,同时受海洋环境的影响,波束发射接收期间(Ping周期)换能器姿态存在动态变化,特别是对于具有发射导向作用的设备,其综合作用对水深结果的影响更大。现有研究通常将发射与接收换能器作为一个整体,仅... 详细信息

多波束系统波束发射与接收为独立过程,同时受海洋环境的影响,波束发射接收期间(Ping周期)换能器姿态存在动态变化,特别是对于具有发射导向作用的设备,其综合作用对水深结果的影响更大。现有研究通常将发射与接收换能器作为一个整体,仅考虑部分瞬时时刻的姿态,忽略了Ping周期内姿态变化的影响,具有一定的局限性。本文结合多波束测量原理及两种波束归位模型,利用仿真实验与实测数据,研究多波束测深Ping周期内姿态变化及发射导向对水深结果的影响。实验结果表明:在浅水区(小于200 m)二者影响可近似忽略,但随水深增加其影响可造成近10%测深结果 (尤其是边缘波束)超出规范要求。本文研究内容为后续多波束数据精细化处理提供一定的参考。

关键词：多波束测深系统 Ping周期换能器姿态变化发射导向角

基于严密波束归位模型的多波束测深点不确定度改进方法

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海洋通报 2018年第6期37卷 643-651页

作者：曲萌樊妙卜宪海孙毅阳凡林山东科技大学测绘科学与工程学院山东青岛266590 海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室山东青岛266590 国家海洋信息中心天津300171

利用不确定度可有效对多波束测深成果质量进行评估,针对现有不确定度计算模型因近似或简化导致一定误差的问题,本文提出一种基于严密波束归位模型的多波束测深点不确定度改进方法。首先分析了多波束测深过程中的各项误差源,基于误差传... 详细信息

利用不确定度可有效对多波束测深成果质量进行评估,针对现有不确定度计算模型因近似或简化导致一定误差的问题,本文提出一种基于严密波束归位模型的多波束测深点不确定度改进方法。首先分析了多波束测深过程中的各项误差源,基于误差传播定律与严密波束归位模型,详细推导了各误差源在波束归位各阶段的误差传播情况,最终得出了多波束测深成果不确定度的计算模型。文中利用实测数据计算了每个测深点的不确定度,绘制了单Ping扇面及条带的不确定度分布图,有利于直观、全面地了解所有测深点的误差变化趋势;计算结果与常用HGM不确定度模型进行了对比,表明本文方法更具合理性,对多波束测深成果的质量评估具有一定的参考价值。

关键词：多波束误差传播定律波束归位不确定度质量评估

多波束测深数据中系统偏差改正方法研究——以2003年SeaBat900X东海调查数据为例

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海洋通报 2018年第5期37卷 522-528页

作者：李劭禹卜宪海胡浩李守军赵春霞山东科技大学测绘科学与工程学院山东青岛266590 海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室山东青岛266590 国家海洋局第二海洋研究所浙江杭州310012

多波束测量过程中,受到多种因素的影响,不可避免地存在各种误差,其中系统某个部件出现故障也不少见,如换能器、行波管、大功率微波开关或表层声速仪等器件功能不正常,引起多波束每ping (一个发射接收周期)数据中部分固定波束号的测深结... 详细信息

多波束测量过程中,受到多种因素的影响,不可避免地存在各种误差,其中系统某个部件出现故障也不少见,如换能器、行波管、大功率微波开关或表层声速仪等器件功能不正常,引起多波束每ping (一个发射接收周期)数据中部分固定波束号的测深结果发生系统性偏移,以2003年东海调查SeaBat900X数据为例,其在垂直航向正投影平面上出现类似"W"字型的系统误差。本文基于该批次数据,系统分析了该类型系统偏差成因及外观表现,针对性提出基于等均值-方差拟合模型的改正方法,首先对异常区域和正常区域分别拟合地形趋势线,统计其均值和方差;然后以正常区域为基准,对异常区域内数据进行压缩和移动;最后通过面积差法,对数据中存在的折射残差进行消除,从而有效去除"W"型残差。文中实测数据验证了本文算法的有效性和可行性,对多波束其他类型的测深系统偏差处理具有一定的参考意义。

关键词：多波束系统偏差改正方法拟合线压缩

船载多传感器一体化测量数据实时存储方法研究

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大地测量与地球动力学 2018年第6期38卷 591-597页

作者：宿殿鹏阳凡林冯成凯王明伟卜宪海杨安秀山东科技大学测绘科学与工程学院青岛市前湾港路579号266590 海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室青岛市前湾港路579号266590

基于船载水陆一体化测量系统,设计一体化测量数据存储格式、多线程网络通信、时间同步控制以及时间匹配技术,实现船载多传感器一体化测量数据实时存储功能,并将采集的多源数据统一存储到文件中。实验证明,该存储方法能有效提高系统的集... 详细信息

基于船载水陆一体化测量系统,设计一体化测量数据存储格式、多线程网络通信、时间同步控制以及时间匹配技术,实现船载多传感器一体化测量数据实时存储功能,并将采集的多源数据统一存储到文件中。实验证明,该存储方法能有效提高系统的集成度,克服多传感器存储效率冗余的缺陷,提高测量数据存储性能。

关键词：船载水陆一体化测量系统多线程网络通信时间同步内存池技术

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一种等效声速梯度的迭代计算方法

海洋测绘 2015年第5期35卷 28-31,42页

作者：辛明真阳凡林闫循鹏卜宪海山东科技大学测绘科学与工程学院山东青岛266590 海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室山东青岛266590 山东省高校海洋测绘重点实验室山东青岛266590

等效声速剖面法将实际复杂的声速剖面用一个简单的声速剖面等效替代,在声线跟踪时可以提高计算效率。但在多波束测深系统归位计算中,由于地形的起伏,对每ping各个波束使用单一的等效声速剖面会影响计算精度。通过仿真实验分析了地形起... 详细信息

等效声速剖面法将实际复杂的声速剖面用一个简单的声速剖面等效替代,在声线跟踪时可以提高计算效率。但在多波束测深系统归位计算中,由于地形的起伏,对每ping各个波束使用单一的等效声速剖面会影响计算精度。通过仿真实验分析了地形起伏对等效声速剖面法计算精度的影响,提出了一种等效声速迭代算法,通过实验发现,相比于常梯度声线跟踪算法,迭代算法可达到同等精度水平,并有更高的计算效率。

关键词：等效声速迭代算法等效声速剖面法声线跟踪声速改正声线折射多波束测深系统